双余度机电作动器力纷争机理及敏感性

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27661

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双余度机电作动器力纷争机理及敏感性

孙晓哲, 侯东(), 杨建忠

中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300

收稿日期:2022-06-01 修回日期:2022-06-22 接受日期:2022-08-12 出版日期:2023-06-25 发布日期:2022-08-31
通讯作者: 侯东 E-mail:2020131003@cauc.edu.cn
基金资助:
中国民航大学研究生科研创新项目(2021YJS076)

Mechanism and sensitivity of force fight in dual redundant electromechanical actuators

Xiaozhe SUN, Dong HOU(), Jianzhong YANG

College of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2022-06-01 Revised:2022-06-22 Accepted:2022-08-12 Online:2023-06-25 Published:2022-08-31
Contact: Dong HOU E-mail:2020131003@cauc.edu.cn
Supported by:
Graduate Research Innovation Grant Program in Civil Aviation University of China(2021YJS076)

摘要/Abstract

摘要：

双余度主-主模式机电作动系统的位置跟踪过程始终存在对伺服系统安全性不利的力纷争问题，为了更好地抑制力纷争需要解析力纷争的作用机理，确定系统参数对力纷争的影响机理和规律。通过理论分析得到力纷争影响参数，通过蒙特卡罗仿真实验研究了各参数对系统动态力纷争和静态力纷争产生的影响，并对参数进行了力纷争影响的敏感性分析，确定对系统力纷争影响最大的几类因素：位置信号断续、位置信号偏置、位置传感器延迟、传动间隙，为飞控系统力均衡控制方法的设计和系统的符合性验证提供了参考依据。

关键词: 机电作动系统, 伺服系统, 力纷争, 蒙特卡罗仿真, 敏感性分析, 力均衡控制

Abstract:

Existence of force fight in the position response process of the active-active dual redundant electromechanical actuation system is harmful to the safety of servomechanism. To better mitigate force fight， it is necessary to analyze its origin and determine the influence mechanism of system parameters on it. The parameters which have effect on force fight are obtained through theoretical analysis. Through Monte-Carlo simulation， the influence of each parameter on dynamic force fight and static force fight is discussed. By sensitivity analysis of the parameters which have effect on force fight， the parameters that have the greatest influence on force fight are obtained， including position signal discontinuity， position signal offset，delay of position sensor， and backlash，which can provide a reference for the design of the force equalization control method for the flight control system and conformity verification consideration.

Key words: electromechanical actuation system, servomechanism, force fight, Monte-Carlo simulation, sensitivity analysis, force equalization control

中图分类号:

孙晓哲, 侯东, 杨建忠. 双余度机电作动器力纷争机理及敏感性[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727661-727661.

Xiaozhe SUN, Dong HOU, Jianzhong YANG. Mechanism and sensitivity of force fight in dual redundant electromechanical actuators[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S1): 727661-727661.

图/表 14

图1

图2

表 1

系统基准参数

参数	数值
等效绕组自感 $L a$ /H	0.024 2
等效绕组电阻 $R a$ /Ω	5.2
电枢电流转矩系数 $K T$	0.111 7
转动惯量 $J$ /（kg·m²）	$4.59 × 10 - 3$
阻尼系数 $B$ /（ $N ⋅ m ⋅ s ⋅ r a d - 1$ ）	$2 × 10 - 4$
齿轮箱减速比 $K x$	2
滚珠丝杠导程p/m	$5 × 10 - 3$
舵面连杆等效系数 $R c s$	5
连接刚度 $K m s$	$1 × 108$
舵面等效质量块质量 $M c s$ /kg	60
舵面等效阻尼系数 $B c s$	$6 × 103$
弹性系数 $K d$	$3.75 × 103$
径向距离rcs/m	0.1
转速环反馈系数 $β$	0.163 85
励磁系数 $k e$	0.6
传动效 $η$	0.9
滚珠丝杠轴间隙 $B a$ /（°）	$2 × 10 - 4$
齿轮间隙B_b/（°）	$3.07 × 10 - 5$

表 1

图 3

图4

表2

图5

表3

表4

图6

表5

表6

图7

图8

参考文献 21

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	造成力纷争的原因	力纷争影响来源	在模型中的表现形式
1	减速装置传动效率	传动机构参数误差	齿轮箱传动效率有15%的偏差
2	传动间隙		齿轮箱和滚珠丝杠的传动间隙有200%的偏差
3	传动刚度		传动刚度有25%的偏差
4	摩擦		电机摩擦有30%的偏差
5	电阻参数	电机参数误差	电阻有30%的误差
6	电感参数		电感有10%的误差
7	转动惯量		转动惯量有10%的误差
8	阻尼系数		阻尼系数有30%的误差
9	电流转矩比例系数		电流与转矩系数有6%的差异
10	外部负载转矩变化		0.1 s加入5 000 N的负载
11	位置指令延迟	控制器及传感器参数误差	位置指令信号有20%的延迟
12	位置传感器延迟		传感器信号有20%的延迟
13	位置信号偏置		2%的位置信号偏置
14	转速信号偏置		2%的转速信号偏置
15	电流信号偏置		2%的电流信号偏置
16	位置信号参数瞬变		2%的位置信号参数瞬变
17	位置信号断续		位置信号在0.2 s有0.01 s的断续
18	位置传感器信号噪声	传感器及传动部分噪声	向位置传感器信号加入0.2%的频率为50 Hz的白噪声
19	转速传感器信号噪声		向转速传感器信号加入0.2%的频率为50 Hz的白噪声
20	电流传感器信号噪声		向电流传感器信号加入0.2%的频率为50 Hz的白噪声
21	减速装置噪声		向齿轮箱加入0.2%的频率为50 Hz的白噪声
22	位置输入信号噪声		向位置输入信号加入0.2%的频率为50 Hz的白噪声

级别	动态力纷争/N	静态力纷争/N
小	<500	<100
中	500 ~5 000	100 ~1 000
大	>5 000	>1 000

影响因素	超出要求/%
减速装置传动效率	87
外部负载转矩变化	98
位置指令延迟	87
位置传感器延迟	98
位置信号偏置	100
位置信号参数瞬变	92
位置信号断续	100
位置传感器信号噪声	99
减速装置噪声	98
位置输入信号噪声	100

影响因素	敏感度	敏感范围
减速装置传动效率	99 760	all
传动间隙	9 104	all
转动惯量	1 154	all
外部负载转矩变化	3 761	all
位置指令延迟	35 314	all
位置传感器延迟	15 640	［0.010 2，0.011］
位置信号偏置	67 347	［0.001，0.02）
转速信号偏置	11 231	［0.004 6，0.02］
位置信号参数瞬变	17 722	［0.003，0.02］
位置信号断续	1 704 351	all
位置传感器信号噪声	8 789	［0.054%，0.2%］
转速传感器信号噪声	1 625	［0，0.034%］
减速装置噪声	5 270	［0.08%，0.2%］
位置输入信号噪声	7 600	［0.07%，0.2%］

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